Номер 1, страница 205 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

1. Каково устройство и принцип действия рентгеновской трубки?

Устройство рентгеновской трубки

Рентгеновская трубка представляет собой электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения. Основными элементами её конструкции являются:

1. Стеклянная или металлокерамическая колба: Внутри колбы создается высокий вакуум (порядка $10^{-4} - 10^{-6}$ Па). Вакуум необходим для того, чтобы электроны на своем пути от катода к аноду не сталкивались с молекулами газов, что позволило бы им набрать максимальную кинетическую энергию и предотвратило бы рассеяние и потерю энергии.

2. Катод (отрицательный электрод): Это источник электронов. Он состоит из двух частей:

• Нить накала: Обычно представляет собой спираль из вольфрама. При пропускании через нее электрического тока (напряжение накала) нить разогревается до высокой температуры (около 2400 °C) и начинает испускать электроны в результате термоэлектронной эмиссии.
• Фокусирующий электрод (или фокусирующая чашечка, цилиндр Венельта): Металлический колпачок, окружающий нить накала. На него подается отрицательный потенциал относительно нити, что позволяет электростатически сфокусировать пучок испускаемых электронов в небольшое пятно на поверхности анода (фокусное пятно).

3. Анод (положительный электрод): Это мишень, на которую падает пучок электронов. Анод выполняет две функции: является частью электрической цепи, замыкая ее, и служит мишенью для генерации рентгеновского излучения.

• Материал: Анод изготавливается из тугоплавких металлов с большим атомным номером (Z), чаще всего из вольфрама (Z=74). Высокий атомный номер обеспечивает более эффективную генерацию тормозного рентгеновского излучения, а высокая температура плавления (у вольфрама ~3422 °C) позволяет выдерживать значительные тепловые нагрузки, так как около 99% энергии электронов превращается в тепло.
• Типы анодов:
  • Неподвижный (стационарный) анод: Представляет собой массивный медный стержень, на который напаяна вольфрамовая пластина-мишень. Медь используется из-за ее высокой теплопроводности для отвода тепла. Такие аноды используются в маломощных установках.
  • Вращающийся анод: Диск из вольфрама или его сплава, который вращается с высокой скоростью (3000-10000 об/мин) во время работы трубки. Вращение позволяет распределить тепловую нагрузку по большей площади (по окружности диска), что значительно повышает допустимую мощность трубки.

4. Система охлаждения: Из-за выделения огромного количества тепла анод нуждается в эффективном охлаждении. В качестве хладагентов могут использоваться масло, вода или воздух.

5. Защитный кожух: Трубка помещается в специальный металлический кожух, заполненный трансформаторным маслом (для охлаждения и электрической изоляции) и проложенный свинцом. Кожух защищает от поражения высоким напряжением и поглощает рентгеновское излучение, распространяющееся во всех направлениях, кроме выходного окна.

Ответ: Рентгеновская трубка — это вакуумная колба с двумя электродами: катодом, который при нагреве испускает электроны, и анодом (мишенью), который их принимает. Ключевыми элементами являются нить накала и фокусирующий электрод на катоде, а также мишень из тугоплавкого материала (например, вольфрама) на аноде. Вся система находится в защитном кожухе и имеет систему охлаждения.

Принцип действия рентгеновской трубки

Принцип действия рентгеновской трубки основан на преобразовании кинетической энергии ускоренных электронов в энергию рентгеновских фотонов при их резком торможении на поверхности анода. Процесс можно разбить на несколько этапов:

1. Эмиссия электронов: На нить накала катода подается ток, который разогревает ее. В результате термоэлектронной эмиссии с поверхности нити испускается "облако" электронов.

2. Ускорение электронов: Между катодом и анодом создается высокое ускоряющее напряжение (от десятков до сотен киловольт). Электроны, имеющие отрицательный заряд, под действием этого электрического поля ускоряются в направлении положительно заряженного анода, приобретая огромную кинетическую энергию $E_k$. Эта энергия примерно равна $E_k \approx eU_a$, где $e$ — заряд электрона, а $U_a$ — приложенное ускоряющее напряжение.

3. Взаимодействие с мишенью: Ускоренный пучок электронов ударяется о мишень анода. При этом происходит резкое торможение электронов, и их кинетическая энергия преобразуется в основном в тепло (около 99%) и лишь малая часть (около 1%) — в электромагнитное излучение рентгеновского диапазона.

Существует два механизма генерации рентгеновского излучения:

• Тормозное излучение (Bremsstrahlung): Возникает, когда электрон, пролетая вблизи атомного ядра мишени, отклоняется и замедляется в его сильном электрическом поле. Потерянная при этом часть кинетической энергии электрона излучается в виде рентгеновского кванта (фотона). Так как степень торможения может быть разной, возникает излучение с непрерывным (сплошным) спектром энергий, от нуля до максимального значения, равного всей начальной кинетической энергии электрона: $E_{max} = h\nu_{max} = eU_a$. Тормозное излучение является основным механизмом генерации в рентгеновских трубках.
• Характеристическое излучение: Возникает, если энергия налетающего электрона достаточна для того, чтобы выбить один из электронов с внутренних электронных оболочек атома мишени (например, с K- или L-оболочки). На образовавшееся вакантное место переходит электрон с одной из внешних оболочек. Этот переход сопровождается излучением кванта с энергией, равной разности энергий этих оболочек. Поскольку уровни энергии для каждого химического элемента строго определены, то и спектр такого излучения является линейчатым (состоит из отдельных линий) и характерен для материала анода.

Таким образом, полный спектр рентгеновской трубки представляет собой непрерывный тормозной спектр, на который наложены пики характеристического излучения.

Ответ: Принцип действия заключается в следующем: электроны, эмитируемые разогретым катодом, ускоряются высоким напряжением и ударяются об анод. При резком торможении электронов в материале анода их кинетическая энергия преобразуется в рентгеновское излучение двух типов: тормозное (с непрерывным спектром) и характеристическое (с линейчатым спектром).